Verrottende Biomasse als Quelle von Kohlenmonoxid in ... - ATB

Verrottende Biomasse als Quelle von Kohlenmonoxid in Waldökosystemen
H. J. Hellebrand und Ch. Idler
Institut für Agrartechnik Potsdam Bornim e.V. (ATB)
Die mittlere atmosphärische CO-Konzentration der Nordhalbkugel liegt im Bereich 40-200
ppbV. Der direkte Beitrag von CO zum Treibhauseffekt ist unbedeutend. Durch die Beeinflussung
der troposphärischen Ozonbildung trägt CO jedoch zur Smogentstehung bei und ist
somit ein umweltrelevantes Gas. Die jährlichen CO-Einträge in die Atmosphäre werden gegenwärtig
auf 1800-2700 Tg/a geschätzt. Davon sind 300-550 Tg/a auf die Verbrennung von
fossilen Energieträgern zurückzuführen, die Biomasseverbrennung soll zu 300-700 Tg/a führen
und 60-160 Tg/a werden biogenen Quellen zugeschrieben (IPCC 1994). Als biogene
Quellen gelten Mikroorganismen, einige höhere Pflanzen, photochemische Umsetzungen von
Biomasse und die Oxidation abgestorbener biologischer Stoffe in Böden und Ozeanen. Verschiedene
Daten zu terrestrischen Kohlenmonoxidflüssen wurden in der Fachliteratur vorgestellt
(Conrad 1996). Angaben zur CO-Bildung beim Verrotten von abgestorbener, oberirdischer
Biomasse konnten nicht ermittelt werden.
Material und Methoden
Die Gasanalysen erfolgten mit einem hochauflösenden (0,2 cm -1 ) FTIR-Spektrometer (wahlweise
20m- oder 7m-Gasküvette; MCT-Detektor). Zur CO-Konzentrationsbestimmung wurde
überwiegend die ungestörte CO-Linie bei 2103,2 cm -1 ausgewertet. Kompostluft aus Grüngutmieten
wurde über Entnahmerohre, die bis zur mittleren Schnittebene reichten, entnommen
und analysiert. Mittels C-Bilanzierung konnten dann aus den Konzentrationsmessungen
Emissionswerte abgeleitet werden (Hellebrand 1998). Bei der Untersuchung des Kompostverlaufes
von Stallmist eines Biohofes wurden die Emissionsströme über den Konzentrationsanstieg
in Gasflusskammern erfasst (Hellebrand und Kalk 2000). In Laborversuchen diente
getrocknetes Landschaftspflegegut als Substrat für Rotteversuche. Durch Wasserzugabe
wurde der Feuchtegehalt auf 70 % eingestellt. Der Substratbehälter wurde über ein Wasserbad
thermostatiert und mit unterschiedlichen Raten Außenluft ventiliert. Die Abluft wurde online
zum FTIR-Spektrometer geleitet und analysiert. Die Gasbildungsratensraten wurden aus der
Differenz zur Außenluftkonzentration und dem Volumenstrom ermittelt. Bei Experimenten
mit sterilisiertem Substrat wurde der über 0,2 µm-Filter gegen Mikroorganismen geschützte
Behälter für 180 Minuten auf 136 °C erhitzt und nach Auskühlung in den Gasmessplatz eingesetzt.
Luft
0,2 µm-
Filter
Strömungsmeter
FTIR-
Spektrometer
Schlauchpumpe
Substrat-
Behälter
20 cm
Gasuhr
0,2 µm-
Filter
Kryo-
Thermostat
30 cm
60 cm
Bild 1 Schema zum Gasmessplatz mit thermostatiertem Substratbehälter und FTIR-Spektrometer

Ergebnisse und Diskussion
Bei FTIR-Untersuchungen der Luft aus Kompostmieten, Laub- und Grashaufen bei der Grünflächenpflege
wurden Konzentrationsdifferenzen zur Außenluft von 2 ppmV bis ca. 130
ppmV beobachtet. Als Bildungsraten bei Feld- und Laborexperimenten (Bild 2) ergaben sich
Werte um 0,1 mg CO/h pro kg Rottemasse bei einer belüftungsabhängigen Dynamik der CO-
Konzentration im Rottegut (positive Korrelation zum Sauerstoffpartialdruck; Hellebrand
1998). Bezogen auf die Freisetzung von CO 2 während der Rotte lag der Volumenanteil von
CO im Bereich von 10 -4 bis 10 -2 .
1.5
1.2
0.9
CO
in 10 -4 g h -1 kg -1
CO 2
in g h -1 kg -1
Temperatur
in 100 °C
0.6
0.3
0.0
0 92 184 276 368 460 552 644 736 828 920
Meßzeit, h
Bild 2 Beispielverlauf zu CO- und CO 2 -Flussraten bei Labormessungen (nicht steriles
Substrat Landschaftspflegeheu mit Feuchte 70%; T=50 °C; Belüftungsrate 25 cm 3 min -1
pro kg Substrat).
1.E-06
CO(1/T) = 1756 e -7828/T
1.E-04
CO, kg h -1 kg -1
1.E-07
1.E-08
1.E-05
1.E-06
CO2, kg h -1 kg -1
1.E-09
CO 2 (1/T) = 8378 e -6975/T
0.0027 0.0029 0.0031 0.0033 0.0035 0.0037
1.E-07
Bild 3 Arrhenius-Plot der CO- und Temperatur CO2-Bildungsraten 1/T, K -1
von sterilisiertem Substrat
(Landschaftspflegeheu mit Feuchte 70%; T=50 °C; Belüftungsrate 25 cm 3 min -1 pro kg
Substrat; Messtemperaturen 5° C, 20° C, 35° C, 50° C, 65° C, 80° C).
Aus der Temperaturabhängigkeit (278 K bis 353 K) der CO-Bidungsraten in sterilisierter
Biomasse konnte eine Aktivierungsenergie der CO-Bildung von 65 kJ mol -1 bestimmt werden
(Bild 3). Die CO-Bildung ist als physikalisch-chemisch ablaufender Oxydationsprozeß zu
interpretieren. Im Gegensatz zu nicht sterilisiertem Rottesubstrat, in dem biologische Aktivität

den Sauerstoffpartialdruck verringert und damit zu belüftungsabhängigen Flußraten führt,
konnte bei sterilisiertem Substrat kein Einfluß der Belüftungsrate auf die CO- und CO 2 -Flüsse
gemessen werden.
In sterilisiertem Material lag das massebezogene Verhältnis von CO-Fluß zu CO 2 -Fluß im
Bereich um 10 -2 und erwies sich im Rahmen der Meßgenauigkeit als temperaturunabhängig.
Zum Abschätzen der Größenordnung der CO-Bildung in Waldgebieten kann deshalb dieses
Verhältnis verwendet werden. Da offensichtlich physikalisch-chemische Reaktionsabläufe die
CO-Freisetzung bestimmen, kann die Schätzgenauigkeit über die absoluten CO-Bildungsraten
gesteigert werden. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um den Einfluß von Sauerstoffpartialdruck
und Wassergehalt auf die physikalisch-chemisch determinierten CO- und CO 2 -
Bildungsraten zu bestimmen.
Schlussfolgerungen
Bei der Belüftung von sterilisiertem Pflanzenmaterial wird CO 2 und CO gebildet. Die Bildungsraten
wachsen exponentiell mit der Temperatur. Die gemessene Temperaturabhängigkeit
spricht für eine CO-Bildung über physikalisch-chemische Reaktionsabläufe. Aus dem
Arrhenius-Plot wird eine Aktivierungsenergie im Bereich um 60 kJ mol -1 für die CO- und
CO 2 -Bildung abgeleitet (CO 2 - 58 kJ mol -1 ; CO - 65 kJ mol -1 ).
Aus den Labormessungen folgt, dass bei 5 °C jährlich ca. 20 mg Kohlenmonoxid pro kg abgestorbener
Biomasse entstehen. Das entspricht einer CO-Kohlenstoffoxidationsrate von
7 10 -5 a -1 . Ein Temperaturanstieg auf 20 °C verdreifacht diese Bildungsrate. Es ist daher mit
kontinuierlichen CO-Freisetzungen aus Waldgebieten zu rechnen, die in den Sommermonaten
die höchsten Bildungsraten aufweisen.
Literatur
Conrad, R., 1996: Soil micro-organisms as controllers of atmospheric trace gases (H 2 , CO,
CH 4 , OCS, N 2 O, and NO). Microbiological Reviews 60: 609-640
Hellebrand, H. J., 1998: Emission of nitrous oxide and other trace gases during composting of
grass and green waste. Journal of Agricultural Engineering Research 69, 4, S.365-375
Hellebrand, H. J. und Kalk, W.-D., 2000: Emissions Caused by Manure Composting.
Agrartechnische Forschung 6 2, S. E26-E31
IPCC, 1994: Intergovernmental Panel on Climate Change: Climate Change 1994 - Radiative
forcing of climate change and an evaluation of the IPCC IS92 emission scenarios. Cambridge:
Press Syndicate of the University of Cambridge, 1995